Massa minúscula de planeta gigante intriga cientistas

A massa do exoplaneta WASP-107b sugere que esse tipo de objeto astronômico pode se formar muito mais facilmente do que se pensava

Concepção artística do exoplaneta WASP-107b orbitando sua estrela: determinação de sua massa surpreendeu os pesquisadores. Crédito: ESA/Hubble, Nasa, M. Kornmesser

A massa do núcleo do exoplaneta gigante WASP-107b é muito mais baixa do que o que se pensava ser necessário para construir o imenso invólucro de gás ao redor de planetas gigantes como Júpiter e Saturno, descobriu uma equipe internacional de astrônomos. O estudo a esse respeito foi publicado na revista “The Astronomical Journal”.

Esta descoberta intrigante da doutoranda Caroline Piaulet, do Instituto de Pesquisa de Exoplanetas da Universidade de Montreal (iREx), sugere que os planetas gigantes gasosos se formam com muito mais facilidade do que se acreditava anteriormente.

Piaulet faz parte da equipe de pesquisa do professor de astrofísica da Universidade de Montreal Björn Benneke, que em 2019 anunciou a primeira detecção de água em um exoplaneta localizado na zona habitável de sua estrela.

A nova análise da estrutura interna do WASP-107b, realizada com colegas no Canadá, Estados Unidos, Alemanha e Japão, “tem grandes implicações”, disse Benneke. “Este trabalho aborda as próprias bases de como os planetas gigantes podem se formar e crescer”, disse ele. “Ele fornece uma prova concreta de que a acumulação massiva de um invólucro de gás pode ser acionada para núcleos que são muito menos massivos do que se pensava anteriormente.”

Dez vezes mais leve que Júpiter

O WASP-107b foi detectado pela primeira vez em 2017 em torno da WASP-107, uma estrela a cerca de 212 anos-luz da Terra, na constelação de Virgem. O planeta está muito perto de sua estrela – mais de 16 vezes mais perto do que a Terra está do Sol. Tão grande quanto Júpiter, mas 10 vezes mais leve, o WASP-107b é um dos exoplanetas menos densos conhecidos: um tipo que os astrofísicos apelidaram de planetas superpuff, ou “algodão-doce”.

Piaulet e sua equipe usaram primeiramente observações do WASP-107b obtidas no Observatório Keck, no Havaí, para avaliar sua massa com mais precisão. Eles usaram o método da velocidade radial, que permite aos cientistas determinar a massa de um planeta observando o movimento oscilante de sua estrela hospedeira devido à atração gravitacional do planeta. Eles concluíram que a massa do WASP-107b é cerca de um décimo da de Júpiter, ou cerca de 30 vezes a da Terra.

A equipe então fez uma análise para determinar a estrutura interna mais provável do planeta. Eles chegaram a uma conclusão surpreendente: com uma densidade tão baixa, o planeta deve ter um núcleo sólido com no máximo quatro vezes a massa da Terra. Isso significa que mais de 85% de sua massa está incluída na espessa camada de gás que envolve esse núcleo. Em comparação, Netuno, que tem uma massa semelhante à do WASP-107b, tem apenas 5% a 15% de sua massa total em sua camada de gás.

“Tínhamos muitas dúvidas sobre o WASP-107b”, disse Piaulet. “Como um planeta de densidade tão baixa poderia se formar? E como ele evitou que sua enorme camada de gás escapasse, especialmente dada a proximidade do planeta de sua estrela? Isso nos motivou a fazer uma análise aprofundada para determinar sua história de formação.”

Gigante gasoso em formação

Os planetas se formam no disco de poeira e gás que envolve uma estrela jovem chamada disco protoplanetário. Modelos clássicos de formação de planetas gigantes gasosos são baseados em Júpiter e Saturno. Nestes, um núcleo sólido pelo menos 10 vezes mais massivo do que a Terra é necessário para acumular uma grande quantidade de gás antes que o disco se dissipe.

Sem um núcleo massivo, os planetas gigantes gasosos não eram considerados capazes de cruzar o limiar crítico necessário para construir e reter seus grandes envoltórios de gás.

Como então explicar a existência do WASP-107b, que tem um núcleo muito menos massivo? A professora da Universidade McGill (Canadá) e membro do iREx Eve Lee, uma especialista mundialmente conhecida em planetas superpuff como o WASP-107b, tem várias hipóteses.

“Para o WASP-107b, o cenário mais plausível é que o planeta se formou longe da estrela, onde o gás no disco é frio o suficiente para que a acumulação de gás possa ocorrer muito rapidamente”, disse ela. “O planeta posteriormente conseguiu migrar para sua posição atual, seja por meio de interações com o disco ou com outros planetas no sistema.”

Segundo planeta

As observações do Keck relativas ao sistema WASP-107 cobrem um período de tempo muito maior do que os estudos anteriores. Isso permitiu que a equipe de pesquisa fizesse uma descoberta adicional: a existência de um segundo planeta, WASP-107c. Ele tem uma massa de cerca de um terço do de Júpiter, consideravelmente maior do que o WASP-107b.

O WASP-107c também está bem mais distante da estrela central. Ele leva três anos para completar uma órbita em torno dele, em comparação com apenas 5,7 dias para o WASP-107b. Outro detalhe interessante: a excentricidade desse segundo planeta é alta, o que significa que sua trajetória em torno de sua estrela é mais oval do que circular.

“O WASP-107c em alguns aspectos manteve a memória do que aconteceu em seu sistema”, disse Piaulet. “Sua grande excentricidade sugere um passado bastante caótico, com interações entre os planetas que poderiam ter levado a deslocamentos significativos, como aquele de que o WASP-107b é suspeito.”

Questões adicionais

Além da história de sua formação, ainda existem muitos mistérios em torno do WASP-107b. Estudos da atmosfera do planeta com o telescópio espacial Hubble publicados em 2018 revelaram uma surpresa: ele contém muito pouco metano.

“Isso é estranho, porque para esse tipo de planeta o metano deveria ser abundante”, disse Piaulet. “Estamos agora reanalisando as observações do Hubble com a nova massa do planeta para ver como isso afetará os resultados e para examinar quais mecanismos podem explicar a destruição do metano.”

A pesquisadora planeja continuar estudando o WASP-107b, futuramente com o Telescópio Espacial James Webb, previsto para ser lançado em 2021. “Exoplanetas como o WASP-107b, que não têm análogo no Sistema Solar, nos permitem entender melhor os mecanismos de formação de planetas em geral e a variedade resultante de exoplanetas”, disse ela. “Isso nos motiva a estudá-los detalhadamente.”

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